不同修飾的Akt在阿爾茨海默病發病機制中的作用

王 卯宋軍營張振強*

(1.河南中醫藥大學第一臨床醫學院,鄭州 450000;2.河南中醫藥大學中醫藥科學院,鄭州 450046)

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是一種慢性進行性神經退行性疾病,占癡呆癥病例的70%～80%,以認知功能缺陷、行為異常和日常生活能力受損為其主要特征[1]。隨著人口老齡化加劇,目前全球約有4400萬人正在遭受AD困擾,預計到2050年,全世界癡呆癥患者將達到1.5億[2]。AD的病理學特征主要包括Aβ沉積形成的老年斑、tau蛋白異常磷酸化形成神經纖維纏結以及神經元-突觸損傷。盡管進行了30多年的深入研究,提出的可能的發病機制包括β淀粉樣蛋白級連假說、tau蛋白異常磷酸化學說、氧化應激學說、炎癥反應學說、自由基學說等[3-4],然而目前對于AD的發病機制仍尚未明確。近來研究發現,人腦和動物模型的實驗研究一致表明,腦胰島素信號通路異常或胰島素抵抗促進并加速認知功能障礙和AD的發生發展[5],參與胰島素信號通路的不同蛋白的表達變化在神經變性和AD中起重要作用。Akt作為胰島素信號通路的關鍵靶點,在胰島素抵抗、調節細胞活性、促進細胞凋亡等方面發揮核心作用[6],因此,本文以Akt作為切入點,結合最新研究,綜述其不同的翻譯后修飾在AD發病的可能機制中的作用,以期為預防及治療阿爾茨海默病提供新的研究思路。

1 Akt磷酸化與AD

Akt,又稱為蛋白激酶B(protein kinase,PKB),30年前Stephen Staal從Akt8逆轉錄病毒的致癌細胞中獲得的致癌基因[7],作為一種57×103的絲氨酸-蘇氨酸(Ser/Thr)特異性蛋白激酶[8],其具有三種亞型,即Akt1、Akt2、Akt3[9]。其中Akt1主要分布在組織中,Akt2主要位于肌肉和脂肪細胞,而Akt3主要表達在腦細胞中[10]。Akt有兩個磷酸化調控修飾的活性位點Ser473和Thr308,分別位于催化結構域(pH結構域)和羧基末端調節結構域。磷脂酰肌醇3激酶(phosphoinositide3-kinase,PI3K)的激活導致在質膜上產生第二信使磷脂酰肌醇3,4,5-三磷酸(phosphatidylinositol 3,4,5-triphosphate,PIP3),PIP3與細胞內的Akt及3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶1(phosphoinositide dependent kinase-1,PDK1)結合,使Akt轉移到細胞膜上,并且在PDK1的輔助下在Ser473和Thr308位點發生磷酸化,從而使其充分活化,活化后的Akt可通過其大量下游靶點促進細胞存活、增殖、生長及細胞代謝途徑的改變。Akt的下游主要有糖原合酶激酶3(glycogen synthasekinase-3,GSK-3)、叉 頭 轉 錄 因 子(the forkhead box O,FoxO)和哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)三個經典靶點,其中最重要的靶標Akt是糖原合酶激酶3(glycogen synthasekinase-3,GSK-3)。

作為一種絲氨酸/蘇氨酸特異性蛋白激酶的GSK-3,在許多細胞信號傳導過程中發揮作用[11]。它具有GSK-3α和GSK-3β兩種同工型[12],它們分別在其Ser21和Ser9位點磷酸化而失活。其中GSK-3β廣泛存在于中樞神經系統,尤其是海馬區,與記憶與認知密切相關。GSK-3β的失活可促進葡萄糖代謝,同時調節神經細胞的代謝活性、轉錄因子等,有助于細胞發育以及神經元細胞壽命的延長;相反,其激活將促進tau蛋白磷酸化和淀粉樣β斑沉積,促使小膠質細胞介導的神經炎癥的發生,最終導致AD的發生發展。在AD中,Akt磷酸化減少、活性降低,削弱了下游GSK-3β的磷酸化失活,導致大量活化的GSK-3β存在,活化的GSK-3β使tau蛋白在Ser199、Tyr18、Thr231等處被磷酸化[13],磷酸化的tau蛋白錯位于樹突棘,這會在AD的早期誘導突觸功能障礙。反之,Akt的磷酸化會通過GSK-3β在Ser9磷酸化來抑制其活性,從而減少tau磷酸化。

FoxO家族轉錄因子由FoxO1、3、4、6組成,主要參與細胞凋亡、細胞周期組織、分解代謝和生長抑制以及組織特異性代謝變化[14],FoxO的不同亞型存在于大腦不同區域,調節神經元存活、氧化應激、突觸傳遞和海馬體損傷,這些是與AD相關的主要病理學特征[15]。調節FoxO因子的核心是一個關閉系統,它將FoxO因子限制在細胞核或細胞質中。磷酸化是FoxO因子有效地從細胞核轉移到細胞質的必備條件。在大多數情況下,FoxO6定位于細胞核內,而FoxO1和FoxO3被Akt激活后主要定位胞漿[16]。Akt磷酸化激活導致下游FoxO磷酸化,使其從細胞核轉移到細胞質,進而失去轉錄活性。Akt通過磷酸化抑制FoxO靶點的表達,從而抑制細胞凋亡,提高神經元存活率,對神經元起保護作用,減少AD的發生。Ryan等[17]研究發現FoxO3的磷酸化失活可改善小鼠認知功能;Cao等[18]研究發現下調FoxO3的表達可導致自噬抑制,從而減弱小膠質細胞介導的炎癥反應。而Webb等[19]研究發現FoxO可以促進AD中錯誤折疊的蛋白質的清除,提示其在神經退行性變中發揮作用,表明FoxO可能存在多種途徑在AD的發病機制中發揮不同作用。

mTOR是細胞生長和增殖的重要調節因子。它由mTORC1和mTORC2兩個亞型組成。mTOR可被PI3K/Akt途徑激活,激活的mTOR可促進多種合成代謝過程,如蛋白質、脂質和核苷酸合成,同時抑制自噬的分解代謝過程。Akt的活化促進了mTOR磷酸化激活,進而導致tau在S214的磷酸化,tau的磷酸化增多是AD的病理學標志。據報道,中樞神經系統中mTOR受損會導致葡萄糖代謝和能量生成受損,線粒體功能障礙、自噬、細胞存活失調等現象[20]。此外,PI3K/Akt/mTOR通路的過度激活還與AD中Aβ和tau的清除中斷、突觸丟失和認知功能下降有關。一方面,誘導PI3K/Akt/mTOR信號激活可促進神經細胞的存活,并阻止導致神經細胞死亡的過度自噬;另一方面,抑制mTORC1可能會刺激受損或有毒蛋白質的自噬,并通過上調AKT通路中的mTORC2活性來提高細胞存活率[21]。有許多研究表明受損的mTOR信號在AD發病機制中的作用[22],Li等[23]發現AD腦中磷酸化mTOR水平升高,并且與tau過度磷酸化呈正相關。Perluigi等[24]研究發現抑制mTOR活性可提高認知能力,延緩腦老化,并通過與葡萄糖代謝、自噬和線粒體功能相關的途徑抑制神經退行性疾病的進展。然而PI3K/Akt/mTOR通路與自噬過程間的相互作用又充滿了復雜性,Lafay-Chebassier等[25]發現AD發病早期Aβ的出現阻斷了mTOR的磷酸化活性,增加了自噬過程,提示Aβ與mTOR下調之間可能存在正相關關系。這對PI3K/Akt/mTOR信號通路介導的AD的發生的不規律性作出了補充。

胰島素信號通路主要包括PI3K/Akt途徑和絲裂原激活的蛋白質激酶(mitogenactivated protein kinase,MAPK)途徑。其中,PI3K/Akt途徑起主要作用,廣泛的參與細胞的存活、生長、增殖和蛋白質合成;而MAPK途徑則是以調節細胞分化為主[26-27]。研究發現,PI3K/Akt途徑的活性減少將最終導致tau蛋白磷酸化增加以及淀粉樣β斑塊沉積增加,這是AD的兩個主要病理特征[28]。而PI3K/Akt途徑的激活可以改善AD的病理學特征[29]。此外,也有報道指出Akt基因過度表達可降低AD相關的tau蛋白過度磷酸化[30]。因此,具有磷酸化修飾Akt為主的PI3K/Akt途徑在AD的發病機制中有重要意義。

2 Akt乙酰化與AD

乙酰化是一種可逆的翻譯后修飾,它不僅能中和氨基酸的正電荷,以不同的方式改變蛋白質的功能[31],還通過組蛋白乙酰轉移酶或組蛋白脫乙酰基酶(histone deacetylases,HDACs)修飾核心組蛋白在基因表達調控中起著關鍵作用[32],控制組蛋白以外的許多蛋白質的活性,包括各種激酶[33],如Akt、Xklp2靶蛋白(targeting protein for xenopus kinesin-

like protein 2,TPX2)、目的細胞周期蛋白激酶6(cyclin-dependent kinases 6,CDK6)等[34]。研究發現Akt的pH域乙酰化[35],其乙酰化可抑制其磷酸化過程。Akt的激活過程需要Akt與PIP3結合,后者通過上游激酶PDK1促進Akt的膜定位和磷酸化。Akt和PDK1在其pH結構域的賴氨酸殘基處乙酰化,導致它們與PIP3結合受到抑制。乙酰化阻斷了Akt和PDK1與PIP3的結合,從而阻止Akt的膜定位和磷酸化,最終使Akt活性下降。Ding等[36]研究發現Akt乙酰化抑制其磷酸化活性;Xu等[37]研究發現Akt在K14位點乙酰化對rDNA沉默和衰老有重要作用。作為第三類HDACs的沉默信息調節因子1(slient information regulator 1,SIRT1)可脫乙酰化多種蛋白底物[38],SIRT1的脫乙酰化作用增強了Akt和PDK1與PIP3的結合,并促進了它們的活化,進而提高胰島素敏感性,改變神經內分泌功能,刺激神經發生和增強突觸可塑性,提高大腦抵抗認知衰退的能力。Cao等[39]檢測到AD患者大腦中SIRT1水平的下降,且與Aβ斑塊沉積具有負相關性;Gomes等[40]研究發現SIRT1的增多可通過抑制淀粉樣蛋白生成而改善AD;而Milne等[41]驗證了SIRT1激活劑治療以Akt信號缺陷為特征的代謝紊亂的有效性,進一步證實乙酰化作用通過作用于Akt,調節胰島素信號通路,對AD的治療新靶點有啟示作用。

3 Akt硫酸化與AD

硫化氫(H2S)是一種氣體遞質,可通過蛋白質的硫酸化激活細胞內信號傳導途徑。研究發現促炎細胞因子IL-1β可以通過增加胱硫醚β-合酶的表達來誘導細胞內H2S的水平,從而催化H2S的形成[42]。當來自H2S的硫附著到蛋白質的半胱氨酸殘基(-SH)并將其轉化為-SSH時,就會發生硫酸化修飾[43]。細胞內H2S誘導使總Akt和磷酸化的Akt在C77處被硫酸化,從而抑制其磷酸化,導致GSK-3β不被磷酸化失活。大量活性的GSK-3β促使tau異常磷酸化,構成AD的主要病理學特征。一旦解除了Akt硫酸化,其與GSK-3β間的相互作用便得以恢復,GSK-3β磷酸化隨之恢復;隨著GSK-3β磷酸化的恢復,GSK-3β失活,tau磷酸化得到改善。Akt在炎癥條件下被硫酸化,這在所有的神經退行性疾病中都存在,包括AD、帕金森氏癥、創傷性腦損傷和多發性硬化癥[44-45]。Mir等[46]發現H2S介導的硫酸化作用與神經系統疾病和腦損傷相關的記憶障礙有關。Ji等[47]研究發現H2S可通過誘導PI3K/Akt途徑預防小鼠神經構功能異常以及炎癥和氧化損傷導致的認知障礙。Sen等[48]在AD患者的死后大腦中檢測到硫酸化Akt,且進一步研究發現Akt的硫酸化主要導致AD的突觸功能障礙。然而,Shao等[49]研究發現H2S通過介導PI3K/Akt途徑抑制海馬神經元凋亡并保護神經元細胞。因此,Akt的硫酸化在AD的具體作用機制還需要進一步研究。

4 Akt的其他修飾與AD

Akt還存在其他的翻譯后修飾,包括泛素化、糖基化、甲基化、氧化等。Wei等[50]發現Akt的泛素化是其磷酸化激活的重要步驟,而去磷酸化可通過泛素-蛋白酶體途徑增加其泛素化水平,進而加速其自身降解。蛋白質泛素化在清除Aβ沉積[51]、降低tau磷酸化水平[52]方面都起到關鍵作用,但目前關于Akt泛素化對AD的影響還沒有明確報道。Wang等[53]認為抑制Akt糖基化水平將導致Akt磷酸化水平減少、活性降低,Akt/mTOR信號通路受阻,自噬作用增強。而自噬可改善AD小鼠模型的認知能力和病理學改變[54]。此外,Akt的甲基化可促進其激活[55],Akt的氧化在其質膜的募集和激活中發揮重要作用[56],但兩者在AD發病機制中的作用鮮有報道。因此,Akt不同的翻譯后修飾都可能從不同角度導致Akt激活或失活,進而影響下游靶蛋白,從而在AD的發生發展中發揮作用,其具體作用機制尚有待進一步研究。

5 總結與展望

許多研究揭示了Akt在調節細胞生長、能量利用、線粒體功能、自噬、氧化應激、突觸可塑性及認知功能等方面發揮重要作用,Akt翻譯后的不同修飾在調整其激活、失活、細胞定位等方面起不同作用,并通過影響Akt通路上下游因子發揮調節作用。但被不同翻譯后修飾的Akt如何與其上游及下游因子發揮作用的潛在機制尚待進一步研究。靶向Akt的不同翻譯后修飾為AD的發病機制及可能的治療策略提供了獨特的新思路。同時,Akt的不同翻譯后修飾的檢測也可以為其他相關的神經系統退行性疾病的發病機制研究提供新的見解。